一種用于燒傷皮膚壞死深度和面積診斷的近紅外光譜成像系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種近紅外光譜成像系統(tǒng)，包括光譜成像儀和計算機控制系統(tǒng)；其光譜成像儀獲取目標區(qū)域燒傷皮膚壞死組織的1100-2500nm波段的光譜信號，由計算機控制系統(tǒng)經(jīng)圖像分析處理，通過將光譜圖像中每個像元對應的光譜反射率曲線與數(shù)據(jù)模塊中燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫的標準光譜反射率曲線進行光譜匹配識別，得到目標區(qū)域的燒傷深度和燒傷面積，并合成目標區(qū)域的三維圖像顯示。該系統(tǒng)可以指明在皮膚燒傷前后由于組織蛋白質變性而導致其空間結構發(fā)生的變化，從而提供有關正常皮膚組織和壞死組織界限和燒傷皮膚壞死深度的微米級信息，并達到可視化，從而有利支持臨床診斷、治療和預后判斷。
【專利說明】一種用于燒傷皮膚壞死深度和面積診斷的近紅外光譜成像系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及組織損傷以及光譜成像【技術領域】。
【背景技術】
[0002]燒傷在平時和戰(zhàn)時均為常見病，戰(zhàn)時尤其高發(fā)。燒傷后死亡率、容貌毀損率及致殘率高，救治周期長，直接威脅生命安全和機體健康，給社會及家庭帶來沉重負擔。
[0003]目前，燒傷所致皮膚組織損傷程度的準確判斷仍是燒傷外科的重大難題，但臨床上用于燒傷深度診斷的最常見方法仍主要依賴于臨床經(jīng)驗，包括觀察燒傷創(chuàng)面的外觀、毛細血管再充盈狀況以及創(chuàng)面對觸摸和針刺疼痛的感覺等。資料顯示，世界最好的燒傷醫(yī)生對創(chuàng)面經(jīng)驗性診斷的準確率只有70%左右，即燒傷手術至少有30%的健康組織可能被錯誤切除或30%的壞死組織被貽誤保留；前者可將創(chuàng)面殘留的極其寶貴的皮膚附件及其相關干細胞和其它正常組織連同壞死組織一并被清除，對創(chuàng)面愈合的速度和質量產(chǎn)生重要影響；后者可加重燒傷的深度，即由較淺轉變?yōu)檩^深的創(chuàng)面。此外，深度燒傷皮膚組織病變可深達肌肉甚至骨質，遠超皮膚組織解剖深度，此類傷情治療及預后更為復雜，故單純以肉眼識別為依據(jù)進行燒傷深度的經(jīng)驗性診斷，對臨床治療的指導作用有限。研究資料表明，及時準確的判斷和治療可以阻止燒傷創(chuàng)面由淺度向深度轉變的速度和程度，能有效挽救患者生命、減少并發(fā)癥、促進創(chuàng)面愈合、加快患者康復。
[0004]目前燒傷診斷 的“金標準”仍為組織病理活檢，導致其無法實際應用于臨床的原因有以下幾點:1、取活檢操作對機體有創(chuàng)，部分患者無法接受；2、由于燒傷的組織病理改變在一定時間內(nèi)是動態(tài)持續(xù)發(fā)生的，因而在燒傷早期進行單一的切片檢查來初步評估損傷程度，可能無法準確地預測結果；3、需要一個經(jīng)驗豐富的病理學專家，并長期致力于此項工作。同樣的原因，隨后出現(xiàn)的皮膚膠原蛋白、波形蛋白免疫組織化學染色技術也未能在臨床檢測中普及。
[0005]自20世紀60年代以來，在燒傷創(chuàng)面診斷領域應運而生出現(xiàn)了多種燒傷深度診斷技術，如熒光檢測技術、近紅外熱成像技術、超聲檢測技術、激光多普勒技術、光譜生物技術
坐寸ο
[0006]熒光檢測技術是通過靜脈注射熒光物質，根據(jù)創(chuàng)面在不同的激發(fā)光照射下激發(fā)產(chǎn)生的熒光強度、峰值大小和時相特點來對創(chuàng)面深度進行評價，但創(chuàng)面藥膏、防腐劑、敷料、生物制劑等物質對燒傷創(chuàng)面的ICG檢測結果都有較大影響；另外，深度燒傷血管損壞或閉塞時熒光較弱，造成檢測誤差增大。
[0007]紅外熱成像技術是通過探測不同燒傷皮膚的熱輻射來對創(chuàng)面的燒傷深度進行評價。Lawson等人首先將該技術用于檢測創(chuàng)面深度，但該方法對檢測條件要求較高，需要恒定的環(huán)境溫度及平衡時間，創(chuàng)面的蒸發(fā)冷卻都會很大的影響檢測結果，儀器成本高、個體差異性大、假陽性高等諸多因素導致其不能很好地區(qū)分深II度和III度創(chuàng)面，限制了其在臨床的廣泛應用。[0008]Kalus首先使用B超掃描來評價燒傷深度，主要原理是觀察活組織和壞死組織的邊界，根據(jù)正常皮膚和不同燒傷組織的回聲圖譜進行診斷。操作時需接觸創(chuàng)面是限制其臨床應用的主要因素，另外實踐證明其診斷準確率較低，并不優(yōu)于主觀經(jīng)驗診斷。
[0009]激光多普勒技術產(chǎn)品是目前唯一被美國FDA批準可用于診斷燒傷創(chuàng)面深度的設備。其原理是利用多普勒頻移來探測創(chuàng)面組織微血管中的血細胞流動情況，淺度燒傷創(chuàng)面的血液流動相對較快，而深度燒傷創(chuàng)面流動較慢，據(jù)此可以區(qū)分淺度和深度燒傷。
[0010]早期的光譜技術是利用不同光譜被創(chuàng)面中的血液吸收后的不同衰減來對燒傷深度進行評價，Anselmo等人最早提出該技術并用于臨床診斷，他們采用綠、紅和藍三種光譜對創(chuàng)面進行診斷的準確率可達79%?；谠摷夹g，Heimbach等人設計了儀器并在臨床進行應用，發(fā)現(xiàn)采用該技術對創(chuàng)面在三周內(nèi)不愈合的診斷準確率為80%。近年來，基于光譜技術診斷燒傷深度的方法得到了進一步發(fā)展，并逐漸擴展到近紅外光譜領域。2001年，Sowa等人在700-1000納米的波長范圍內(nèi)利用皮膚燒傷后血液中含氧血紅蛋白、脫氧血紅蛋白和組織水分在近紅外光的吸收光譜上的差異，通過測量血液中血紅蛋白總量(tHb)、組織含氧飽和度(StO2)和水(H2O)的含量來判斷燒傷深度的新方法，并對傷后3 h的動物模型進行了試驗研究。2005年，Milner等人首次用波長548 nm (血紅蛋白吸收波長)的正交偏振光譜(orthogonal polarization spectral, OPS)評價燒傷程度。2009 年，Cross 等人在500-1000納米的波長范圍內(nèi)研究了燒傷后皮膚組織水腫程度與燒傷深度之間的關系。但以上研究的核心原理都是基于皮膚燒傷前后血液中紅細胞攜氧狀況改變和組織水分的變化來間接判斷燒傷深度(見圖9)，并不能直接提供燒傷皮膚組織壞死深度及面積的精確信息。
[0011]目前光譜成像技術已成熟用于空間遙感測繪、農(nóng)業(yè)、勘探等科學領域，該技術將光譜分析技術與圖像分析技術相融合，滿足綜合定性、定量和定位分析的新概念，其可視化、非接觸性及非侵害性等優(yōu)異特性都顯示出將其作為一種新的高特異性、高精度燒傷創(chuàng)面診斷利器的潛在可能。目前其成像波段主要在可見光和近紅外光譜，但光譜分辨率普遍較低，掃描精度在50nm左右，尚不能滿足醫(yī)學精細研究的需要。而目前用于研究燒傷醫(yī)學的成像光譜儀波段主要在400 -700nm及700-1 lOOnm，光譜生物基本原理仍舊以分析皮膚血液中紅細胞攜氧狀況改變和組織水分的變化為主。其中典型的是專利文獻“可見-近紅外光譜技術在燒傷損傷評估”(美國，N0.860554B2)，該專利主要研究了在500-1 IOOnm波段，燒傷前后皮膚血液中氧合血紅蛋白、脫氧血紅蛋白、以及水分的變化，間接提示燒傷的深度；因此，并不能提供有關皮膚組織壞死的精確信息。
[0012]現(xiàn)有的光譜成像技術還不能精確分辨皮膚壞死組織和獲取皮膚組織斷層光譜圖像，還有一個關鍵點在于其光譜分辨率和成像光譜范圍未能達到分辨皮膚壞死組織和獲取其斷層圖像的水平，即具有高分辨率的窄帶、寬譜可調濾光片是核心問題。
[0013]因此，迄今為止尚無能夠直接精確區(qū)分壞死組織深度、精確辨別壞死組織和正常組織界限的診斷儀器設備和相關方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的上述不足，目的是提供一種對燒傷皮膚壞死深度和面積診斷的近紅外光譜成像系統(tǒng)及方法，采用具有高分辨率、寬視場角、高效率的超光譜成像儀，以非接觸、非侵害方式獲取燒傷皮膚變性壞死組織的關鍵信息，達到可視化，并通過信息處理，得到燒傷皮膚壞死面積及深度的精確信息，提供給臨床醫(yī)生有關皮膚燒傷變性壞死組織的關鍵信息，指導臨床治療和臨床手術。
[0015]本發(fā)明采用的技術方案如下:
一種用于燒傷皮膚壞死深度和面積診斷的近紅外光譜成像系統(tǒng)，包括光譜成像儀和計算機控制系統(tǒng)。
[0016]其中光譜成像儀包括光源、光學鏡頭、寬譜液晶可調濾光片(LCTF)或聲光可調濾光片(A0TF)、驅動控制器和CXD像機；所述寬譜液晶可調濾光片(LCTF)或聲光可調濾光片(AOTF)獲取1100-2500nm波段的光譜信號；
計算機控制系統(tǒng)內(nèi)置有通用模塊、數(shù)據(jù)模塊、光譜校正模塊、光譜匹配模塊、燒傷創(chuàng)面三維合成模塊。
[0017]所述系統(tǒng)通過所述光譜成像儀獲取目標區(qū)域燒傷皮膚壞死組織的光譜圖像數(shù)據(jù)，輸入所述計算機控制系統(tǒng)，經(jīng)圖像分析處理，即首先通過光譜校正模塊進行光譜校正，然后通過光譜匹配模塊將校正后的光譜圖像中每個像元對應的光譜反射率曲線與數(shù)據(jù)模塊中燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫的標準光譜反射率曲線進行光譜匹配識別，得到目標區(qū)域的燒傷深度和燒傷面積，最后由燒傷創(chuàng)面三維合成模塊合成目標區(qū)域的三維圖像，并通過顯示器顯不O
[0018]所述燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫中的標準光譜反射率曲線與病理數(shù)據(jù)庫中的皮膚燒傷深度具有一對一的匹配關系，其是利用燒傷壞死皮膚在1100-2500nm波段的光譜反射率曲線特征，來定量燒傷皮膚中的壞死信號，并將壞死信號與病理數(shù)據(jù)進行關聯(lián)，使燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫中的標準光譜反射率曲線與病理數(shù)據(jù)庫中的皮膚燒傷深度的匹配，燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫中的每一條標準光譜曲線均代表一種燒傷深度。
[0019]所述燒傷壞死皮膚在1100_2500nm波段的光譜反射率曲線特征包括光譜反射率曲線的形狀、曲線的平均幅值、以及曲`線中波峰與波谷幅值的差值。
[0020]所述皮膚中的壞死信號為皮膚組織燒傷變性壞死后，皮膚中原有的蛋白質、核酸以及高相對分子量的碳氫化合物等生物大分子受熱力損傷，其化學鍵發(fā)生斷裂，主要為C-N、N-H、O-H鍵的斷裂，還包括不飽和共軛鍵:C=C、N=N, N=O的斷裂導致的光譜信息的改變，這種光譜信息的改變即為壞死信號。
[0021]本系統(tǒng)中采用的液晶可調濾波器(LCTF)非常關鍵，該液晶可調濾波器(LCTF)包括液晶可調濾光片和驅動控制器(圖3)。
[0022]其中，液晶可調濾光片為多級級聯(lián)結構，包括:一組電控液晶波片、一組固定位相延遲片和一組偏振片。所述偏振片與電控液晶波片和固定位相延遲片依次相互平行排列、間隔疊放形成多級，但第一級中可以設置或不設置固定位相延遲片(圖4)。
[0023]其中所有偏振片的透射偏振光方向相互平行，所有電控液晶波片的快軸方向與所有偏振片透射偏振光方向成45°角。
[0024]每級結構中電控液晶波片由驅動控制器控制，加載驅動信號(圖5)。
[0025]尤其是電控液晶波片，其包括中間的向列相液晶層和兩側依次對稱設置的取向膜、透明導電膜和透明基板，所述向列相液晶層兩側的取向膜摩擦方向反向平行，液晶層中的液晶分子沿面排列，所述液晶層的厚度通過在其中設置透明隔墊進行控制(圖6)。
[0026]上述液晶可調濾光片可以采用常規(guī)LCTF的驅動控制方式，但是會導致其光譜掃描速度較慢，響應時間一般可達到幾百毫秒，對于動態(tài)光譜成像來說，在很大程度上制約光譜成像系統(tǒng)獲取光譜信息的時間，對臨床成像采集工作及后續(xù)圖像處理帶來很大的難度。因此，為了提供儀器的圖像處理速度，更好的實現(xiàn)本發(fā)明高效率的目的，本發(fā)明采用的過壓驅動方式，即驅動控制器對電控液晶波片加載不同幅值的交流過壓驅動信號，采用過壓驅動器驅動:如果液晶波片需要的驅動電壓為V2，驅動時首先施加一個持續(xù)時間t很短的窄脈沖，t的取值范圍在0-50ms之間，t不等于O，其電壓幅度V3>V2.，V3的幅值范圍在10-50V之間，然后再施加V2的驅動電壓，電壓幅值在O-1OV之間但不等于0，交變頻率在0.5-5KHz(圖 7)。
[0027]因此，利用以上系統(tǒng)，就可以對正常皮膚組織和燒傷皮膚壞死組織的界線及燒傷皮膚壞死組織的深度進行診斷，其步驟如下(圖8):
(1)光源照明所述燒傷皮膚上的目標區(qū)域；
(2)用LCTF或AOTF以及CCD攝像機收集所述目標區(qū)域在1100_2500nm波段的光譜圖像，獲取燒傷皮膚壞死組織的光譜數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，輸入計算機控制系統(tǒng)；
(3)計算機控制系統(tǒng)進行圖像分析處理:
(3.1)光譜校正:將目標區(qū)域原始光譜圖像中每一個光譜圖像像元對應的光譜曲線幅值除以相同條件下白板的光譜圖像像元對應的光譜曲線幅值，以去除背景光及光源不均一性導致的影響，得到目標區(qū)域的光譜反射率曲線；
(3.2)光譜匹配識別:將校正后目標區(qū)域的光譜圖像中每個像元的光譜反射率曲線與燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫的標準光譜反射率曲線進行對比分析，即用己知燒傷深度的皮膚反射光譜曲線去匹配識別目標區(qū)域的光譜反射率曲線，通過計算目標區(qū)域像元的光譜反射率曲線與各種不同燒傷深度皮膚的標準光譜反射率之間的相似度值，取相似度值最高所對應的燒傷深度作為將目標區(qū)域像元的燒傷深度，然后對目標區(qū)域每個像元進行匹配識別，得到目標區(qū)域的燒傷深度及燒傷面積；
(3.3)光譜圖像合成與顯示:將目標區(qū)域燒傷深度和燒傷面積的數(shù)據(jù)進行三維合成與顯不O
[0028]本發(fā)明以上提供的成像系統(tǒng)及方法具有高分辨率、寬視場角、高效率的特點，能夠指明在皮膚燒傷前后由于組織蛋白質變性而導致其空間結構發(fā)生的變化，從而以非接觸、非侵入方式提供有關正常皮膚組織和壞死組織界限和燒傷皮膚壞死深度的微米級信息，并形成可視化，最終提供給臨床醫(yī)生有關皮膚燒傷壞死組織微米級的壞死深度和面積關鍵信息，有利的指導臨床治療和臨床手術，并最大限度地避免由醫(yī)療檢測引發(fā)的交叉感染及患者疼痛，有利支持臨床診斷、治療和預后判斷。
[0029]本發(fā)明所述的燒傷涵蓋熱力燒傷、燙傷、化學燒傷、電擊傷、放射損傷、凍傷等。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1是本發(fā)明的診斷系統(tǒng)的結構示意圖；
圖2為液晶可調濾光片的結構；
圖3為液晶波片的結構；
圖4為液晶波片響應時間測量光路不意圖；
圖5a為厚度為4.8 mm、灌注SLC-9023液晶材料的液晶波片在過壓驅動下的光電響應測量結果；
圖5b為厚度為8.0mm、灌注SLC-9023液晶材料的液晶波片在過壓驅動下的光電響應測量結果；
圖6為過壓驅動器的驅動方式示意圖；
圖7為圖像分析處理處理流程圖；
圖8水、血紅蛋白、脫氧血紅蛋白吸收光譜；
圖9離體人皮膚燙傷模型光譜檢測圖；
圖10人離體皮膚燙傷模型光譜檢測結果統(tǒng)計柱狀圖；
圖11大鼠燙傷模型光譜檢測圖；
圖12大鼠燙傷模型光譜檢測結果統(tǒng)計柱狀圖；
圖13成年豬皮膚燙傷模型光譜檢測圖；
圖14豬皮膚燙傷模型光譜檢測統(tǒng)計圖；
圖15是臨床燒傷患者光譜檢測結果圖。
[0031]
【具體實施方式】
[0032]為了更好的解釋和說明本發(fā)明技術及其效果，以下結合附圖和本發(fā)明的研究實驗過程進行詳細說明:
一、燒傷皮膚壞死面積及深度臨床診斷系統(tǒng)
診斷系統(tǒng)主要包括光譜成像儀和計算機控制系統(tǒng)，其結構參見圖1，其中:
1、光譜成像儀:由照明光源101、光學鏡頭102、濾波器103(采用液晶可調濾波器LCTF和聲光可調濾光片AOTF)、CCD攝像機106、LCTF控制器105a和AOTF控制器105b和過壓驅動器104組成。它們按常規(guī)的光譜成像儀的組成形式進行裝配。其中各部件的性能參數(shù)可以具體選擇如下:
液晶可調濾波器(LCTF):工作波段:900nnT2500nm ;光譜分辨率:5_20nm ;光學透過率:5-30% ;視場角:1-10°。
[0033]CCD攝像機:型號:大恒DH-SV1411GX ;分辨率:1394 X 1040像素；幀率:15幀/秒；數(shù)據(jù)接口:千兆網(wǎng)口
照明光源:鹵素燈光源=OCEANS美國；光譜范圍:400nnT2500nm ;光源照明方式:環(huán)形照明。
光學鏡頭:型號:0ptistar ;焦距:50mm (定焦鏡頭),通光口徑:55mm。
LCTF過壓驅動控制器:t的取值范圍在0-50ms之間，其電壓幅度V3>V2.，V3的幅值范圍在10-50V之間，然后再施加V2的驅動電壓，電壓幅值在0-10V之間，交變頻率在
0.5-5KHz (圖 7)。
[0034]由此組成的光譜成像儀的主要參數(shù)為，工作波段:900nnT2500nm ;光譜分辨率:5-20nm ;空間分辨率:10-200 μ m，光學透過率:5-30% ;視場角:1-10°。
[0035]本發(fā)明采用液晶可調濾波器(LCTF)的結構和驅動如圖2所示:
參見圖2，它采用的是五級級聯(lián)結構的液晶可調濾光片，其包括偏振片(1，2，3，4，5，6)、電控液晶波片(7，8，9，10，11)和固定位相延遲片(12，13，14，15)(—共五級，第一級沒加固定位相延遲片)。其中偏振片(1，2，3，4，5，6)的透射偏振光方向相互平行，電控液晶波片(7，8，9，10，11)的快軸方向與偏振片(I，2，3，4，5，6 )透射偏振光方向成45 °角，偏振片(I，2，3，4，5，6)與電控液晶波片(7，8，9，10，11)和固定位相延遲片(12，13，14，15)相互平行排列、間隔疊放。每級結構中液晶波片由驅動控制器控制。圖4右側為加載在液晶可調濾光片每級結構中電控液晶波片上的電壓驅動信號的示意圖，該信號為交流過壓驅動信號，電壓幅值在0-20V之間，交變頻率在0.5-5KHz。驅動方式為:如果液晶波片需要的驅動電壓為V2，驅動時首先施加一個窄脈沖，其幅度V3>V2，然后再施加V2的驅動電壓，在驅動控制器的控制下，每級液晶波片加載不同幅值的交流過壓驅動信號，可實現(xiàn)液晶可調濾光片的快速光譜掃描。
[0036]圖3是電控液晶波片(7，8，9，IO，11)的結構示意圖，包括玻璃基板(16，17 )、ITO透明導電膜(18，19)、PI取向膜(20，21)、厚度控制透明隔墊(22，23)和液晶層24。其中ITO透明導電膜層(18，19)通過電極與驅動控制器(即多通道驅動源)相連接，為液晶層24提供電場，使液晶分子的指向發(fā)生旋轉，改變電控液晶波片(7，8，9，10，11)的相位延遲，從而控制入射光的偏振態(tài)，PI取向膜(20，21)涂敷在玻璃基板(16，17)的內(nèi)表面上，經(jīng)過烘烤、摩擦等工藝處理后，可以誘導液晶層24中的液晶分子按照特定的方向排列，使電控液晶波片具有晶體的雙折射光學特性；液晶層24是在玻璃基板之間的灌注向列相液晶材料形成的，液晶層24的厚度通過厚度控制隔墊(22，23)進行控制，折射率差Λη在0.05、.30之間。厚度控制隔墊(22，23)可以采用玻璃纖維、玻璃微珠、或塑料微珠或photo spacer等。
[0037]為了驗證過壓驅動方式的有效性，將過壓驅動信號加載于單級液晶波片上，測量其響應時間。其時間響應特性測量光路如圖4所示，液晶波片由驅動控制器提供過壓驅動信號，并被放置在兩平行偏振器之間，激光器的波長為632.8 nm，光電探測器采用可見光敏感器件，具有亞微秒級光電響應速度，探測器的光電信號送入示波器記錄。
[0038]圖5a和圖5 b所示是厚度分別為4.8 mm和8.0mm、灌注SLC-9023液晶材料的液晶波片在過壓驅動下的光電響應測量結果。由圖5a可以看出，厚度為4.8 mm的液晶波片，在5V電壓的常規(guī)驅動下，到達穩(wěn)態(tài)的時間為25 ms，采用在10 V, 3ms的過壓驅動下，到達穩(wěn)態(tài)的時間僅為3~5 ms (電壓在10-5`0V之間較為合適)；同樣的，由圖5b可以看出，厚度為8.0 _的液晶波片，在2V電壓的常規(guī)驅動下，到達穩(wěn)態(tài)的時間為450 ms，采用在9.6 V，7ms的沖擊驅動下，到達穩(wěn)態(tài)的時間僅為7 ms。由實驗結果可以看出，過壓驅動方法可以有效提高液晶波片的光電響應時間，從而實現(xiàn)液晶可調濾光片的快速光譜掃描和成像。
[0039]本系統(tǒng)也可采用聲光可調濾波器(AOTF)與液晶可調濾波器(LCTF)進行自動切換。聲光可調諧濾光器(Acousto-optic tunable filter,簡稱A0TF)是一種聲光調制器件，由單軸雙折射晶體(通常采用的材料為Te02)，粘合在單軸晶體一側的壓電換能器，以及作用于壓電換能器的高頻信號源組成。
[0040]AOTF的光譜掃描速極快，適合對瞬間狀態(tài)的物體進行掃描。近年來，AOTF在光譜分析的圖像處理、監(jiān)察監(jiān)測、釆集彩色信息、電光信號掃描發(fā)生器、技術等技術諸多方面獲得了廣泛應用。AOTF的工作原理是利用聲波在各向異性介質中傳播時對入射到傳播介質中的光的布拉格衍射作用。當輸入一定頻率的射頻信號時，AOTF會對入射多色光進行衍射，從中選出波長為λ的單色光。單色光的波長λ與射頻頻率f有一一對應的關系，只要通過電信號的調諧，即可快速選擇所需要的光波波長。所被選擇的光波用過CCD探測器進入圖像采集系統(tǒng)，光譜圖像被圖像采集軟件保存在計算機中，經(jīng)過一系列的算法和數(shù)據(jù)庫的提供比對，即可在計算機上顯示出理想的圖像。
[0041]2、計算機控制系統(tǒng)，內(nèi)置有內(nèi)置有通用模塊、數(shù)據(jù)模塊、光譜校正模塊、光譜匹配模塊、燒傷創(chuàng)面三維合成模塊；其圖像分析處理過程件圖7。
[0042]通用模塊，控制光源的接通和關斷、光譜成像儀中各部分硬件的電源功率配給、以及本系統(tǒng)的各種端口和接口；
數(shù)據(jù)模塊，包括燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫及燒傷皮膚壞死病理數(shù)據(jù)庫；所述燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫的光譜反射率曲線波段在1100-2500nm，其光譜反射率曲線數(shù)據(jù)的來源包括光纖光譜儀和醫(yī)用光譜成像儀；所述的燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫的光譜反射率曲線與燒傷皮膚壞死病理數(shù)據(jù)庫中的皮膚燒傷深度具有一對一的匹配，即可用光譜反射率曲線代表燒傷深度。具體是利用燒傷壞死皮膚在1100-2500nm波段的光譜反射率曲線特征，來定量燒傷皮膚中的壞死信號，并將壞死信號與病理數(shù)據(jù)進行關聯(lián)，使燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫中的標準光譜反射率曲線與病理數(shù)據(jù)庫中的皮膚燒傷深度的匹配，燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫中的每一條標準光譜曲線均代表一種燒傷深度。以上的燒傷壞死皮膚在1100-2500nm波段的光譜反射率曲線特征包括光譜反射率曲線的形狀、曲線的平均幅值、以及曲線中波峰與波谷幅值的差值。
[0043]光譜校正模塊，用于將目標區(qū)域原始光譜圖像中每一個光譜圖像像元對應的光譜曲線幅值除以相同條件下白板的光譜圖像像元對應的光譜曲線幅值，以去除背景光及光源不均一性導致的影響，得到目標區(qū)域的光譜反射率曲線；
光譜匹配模塊，用于校正后目標區(qū)域的光譜圖像中每個像元的光譜反射率曲線與燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫的標準光譜反射率曲線進行對比分析，即用己知燒傷深度的皮膚反射光譜曲線去匹配識別目標區(qū)域的光譜反射率曲線，通過計算目標區(qū)域像元的光譜反射率曲線與各種不同燒傷深度皮膚的標準光譜反射率之間的相似度值，取相似度值最高所對應的燒傷深度作為將目標區(qū) 域像元的燒傷深度，然后對目標區(qū)域每個像元進行匹配識別，得到目標區(qū)域的燒傷深度及燒傷面積。
[0044]燒傷創(chuàng)面三維合成模塊，用于將目標區(qū)域燒傷深度和燒傷面積的數(shù)據(jù)進行三維合
二、以下說明本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的研究過程，以及燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫和燒傷皮膚壞死病理數(shù)據(jù)庫的形成:
(一)實驗
1、實驗材料及動物、細胞
人尸體皮來源于西南醫(yī)院燒傷研究所專用皮庫 SD大鼠購自第三軍醫(yī)大學實驗動物中心 巴馬香豬購自第三軍醫(yī)大學實驗動物中心 人皮膚成纖維細胞來自外科手術皮膚棄料原代培養(yǎng)
2、主要儀器
αν?溫孵箱RKj日本
XSJ-D倒置顯微鏡重慶光學儀器廠
超凈工作臺蘇州凈化設備公司
LAB細胞培養(yǎng)箱美國Olympus倒置顯微鏡日本
TCL1200低溫超速離心機日本
YLS-5Q恒溫燙傷儀山東新華醫(yī)療器械公司
醫(yī)用可見光高光譜成像儀中國工程物理研究院
CP225D型電子天平德國Sartorius公司
HH.W 21.Cu600電熱恒溫水溫箱上海醫(yī)療器械七廠
LS-B50L立式壓力蒸汽滅菌器上海華線醫(yī)用儀器公司
LDR0.08-0.7G型電熱真空滅菌器山東新華醫(yī)療器械公司
-80°C低溫冰箱(HARRIS)美國HARRIS公司
Mill1-Q Biocel 純水儀美國 Millipore 公司
各型移液器美國Eppendorf公司
3、主要試劑
DMEM培養(yǎng)基Gibco,美國
RPMI 1640培養(yǎng)基Gibco,美國
胎牛血清Hyclone,美國`
小牛血清中國醫(yī)學科學院血液研究所
胰蛋白酶美國Hyclone公司
PISigma,美國
CFSE日本同仁化學研究所
膠原酶IVSigma,美國
TRIzolInvitrogen 美國
臺盼藍武漢博士德生物
Vimentin武漢博士德生物
4%多聚甲醛北京中杉生物
10%甲醛第三軍醫(yī)大學試劑中心
防脫切片北京中杉金橋生物技術公司
4、主要溶液及配制 3.1 DMEM培養(yǎng)基:
每千毫升DMEM培養(yǎng)基加NaHC03 3g，HEPES 4g，谷胺酰胺2g，青霉素100，000U，鏈霉素100, OOO U，PH 7.2,0.22 μ m膜過濾除菌，4°C保存。臨用前加10%FBS。
[0045]3.2 0.25%胰蛋白酶消化液:
0.25g胰蛋白酶加入100mlPBS (m/V)配制，-20°C貯存?zhèn)溆谩?br> [0046]3.3 PBS 溶液:
Na2HP0 40.2 g, NaH2P0 40.2 g, KCl0.02 g, NaCl 0.8g, ddH20 定容至 1000ml，PH
7.2，高壓滅菌，4°C保存。
[0047](二)實驗方法
1、光譜數(shù)據(jù)采集條件的標定。
[0048]對本發(fā)明的近紅外光纖光譜檢測儀進行內(nèi)參標定，結合實際測量環(huán)境標定出在體光譜生物檢測的最佳距離、角度、工作時間，并消除背景因素的不利影響；
1.1利用標準白板對近紅外光纖光譜檢測儀進行標定，連續(xù)工作10min、30min、60min、2h、4h再次標定光強度,均值穩(wěn)定。[0049]1.2考慮到樣本表面的不均一性對入射光的散射導致的光強減弱的特點，實際檢測距離不宜離樣本過遠，否則系統(tǒng)誤差過大。本實驗采取光纖探頭距離樣本l-50cm進行測量。
[0050]1.3針對探測角度不同會對近紅外光纖光譜檢測儀檢測到的光強的造成影響，我們采取檢測儀與樣本表面垂直的角度進行數(shù)據(jù)采集。
[0051](三)建立人離體皮膚燒傷模型、大鼠皮膚燒傷模型及巴馬香豬皮膚燒傷動物模型，用近紅外光纖光譜檢測儀實現(xiàn)實時在體光譜生物檢測。
[0052]1、人離體皮膚燙傷模型建立 1.1人離體皮膚獲得及處理
I)將皮庫來源的人離體皮膚組織從液氮中取出；存放時間半年，規(guī)格約9X13cm2大小，平均厚度約3mm。
[0053]2)常溫下浸入含PBS的無菌容器內(nèi)復溫；反復洗脫雜質及異物，至清亮無沉淀；
3)用無菌剪刀修整邊界并去除雜物；
4)無菌PBS沖洗3-5遍至液體清亮無異味；無菌濕紗布覆蓋待用。
[0054]1.2人離體皮膚燙傷模型建立
1)取修剪、清洗后人離 體皮膚鋪至無菌單，表皮面超上；
2)取干燥無菌紗布拭干皮膚表面水分，保證離體皮膚表面鋪至平整；
3)取恒溫燙傷儀，加熱至90度，觀察恒溫穩(wěn)定效果，待用；
4)取YLS-5Q恒溫燙傷儀，1.5X1.5cm2大小探頭，加熱至92度待用。用500g重力施壓作用于離體皮膚表面造成燙傷，燙傷時間分別為3s、5s、10s、15s、20s、30s、45s、60s、90s、120s、150s、180s。
[0055]1.3人離體皮膚致熱燙傷模型制備及光譜數(shù)據(jù)采集
1)取近紅外光纖光譜檢測儀，打開光源，調試檢測軟件參數(shù)，用標準白板內(nèi)標，去除噪音及背景曲線，調試儀器至工作狀態(tài)，運行十分鐘，觀察工作電源穩(wěn)定程度及光源強度狀態(tài)，待用;
2)取標準白板，調整光纖探頭對樣本標準白板檢測的最佳距離，固定光纖探頭位置，用近紅外光纖光譜檢測儀檢測并顯示標準白板曲線，核實正常后待機；
3)取很穩(wěn)加熱探頭，用500g重力施壓作用于離體皮膚表面造成燙傷，燙傷時間分別為 3s、5s、10s、15s、20s、30s、45s、60s、90s、I20s。
[0056]4)取燙傷后人離體皮膚以及正常皮膚樣本，置于近紅外光譜觀察并記錄檢測結果;
1.4人離體皮膚燙傷模型病理樣本采集及固定
1)用無菌手術器械剪取燙傷創(chuàng)面人離體皮膚條約0.5X2.0cm2 ；
2)保證離體皮膚標本修剪平整，放入10%甲醛溶液固定；
3)取固定離體燙傷皮膚標本，常規(guī)石蠟包埋待用；
4)將標本在切片機上制成6-8微米厚度切片待用；
5)常規(guī)脫蠟至水，HE染色；
6)顯微鏡下觀察、拍照并記錄。
[0057]光譜檢測結果圖9和圖10。[0058]2、大鼠皮膚燙傷模型建立
2.1大鼠皮膚燙傷模型制作
1)取體重300克左右大鼠，雌雄不限；
2)將大鼠腹腔注射1%戊巴比妥鈉(按每0.5ml/100g計算)；
3)麻醉后，用肥皂液浸濕背部毛發(fā)，用無菌刀片剔除；使背部皮膚裸露；
4)取恒溫燙傷儀，加熱至90度，觀察溫度恒溫效果，待用；
5)取2.25cm2恒溫燙頭，用500g重力施壓作用于大鼠背部皮膚造成燙傷，燙傷時間分別為 3s、5s、10s、15s、20s、30s、45s、60s、90s、120s。
[0059]2.2大鼠皮膚燙傷模型光譜數(shù)據(jù)采集
1)取近紅外光纖光譜檢測儀，打開光源，調試檢測軟件參數(shù)，用標準白板內(nèi)標，去除噪音及背景曲線，調試儀器至工作狀態(tài)，運行十分鐘，觀察工作電源穩(wěn)定程度及光源強度狀態(tài)，待用;
2)取標準白板，調整光纖探頭對樣本標準白板檢測的最佳距離，固定光纖探頭位置，用近紅外光纖光譜檢測儀檢測并顯示標準白板曲線，核實后待機；
3)取燙傷后麻醉大鼠，至于固定好的光纖探頭下，設定距離為1cm，分別檢測燙傷創(chuàng)面和正常皮膚，觀察并記錄檢測結果；
2.3大鼠皮膚燙傷模型病理樣本采集及固定 1)用無菌手術器械剪取大鼠燙傷創(chuàng)面皮膚條約0.5X2.0cm2 ；
2)保證離體皮膚標本修剪平整，放入10%甲醛溶液固定；
3)取已固定好的燙傷皮膚切除標本，常規(guī)石蠟包埋待用；
4)將標本在切片機上制成6-8微米厚度切片待用；
5)常規(guī)脫蠟至水，HE染色；
6)顯微鏡下觀察、拍照并記錄。
[0060]光譜檢測結果如圖11和圖12。
[0061]3、成年巴馬香豬皮膚汽油三度燒傷及幼豬恒溫儀致熱二度燙傷模型建立
3.1成年豬皮膚汽油三度燒傷模型制作
1)取2年左右成年巴馬香豬，雌雄不限；
2)腹腔注射4%戊巴比妥鈉(按每0.5ml/lkg計算)；
3)麻醉妥善后，用肥皂液浸濕背部毛發(fā)，用無菌刀片剔除；
4)取純工業(yè)汽油均勻涂抹至背部皮膚，待用；
5)明火點燃汽油，造成背部汽油燒傷，時間為30s。
[0062]3.2巴馬香豬幼豬皮膚二度燒傷模型制作
1)取6月左右巴馬香豬，雌雄不限；
2)腹腔注射4%戊巴比妥鈉(按每0.5ml/lkg計算)；
3)麻醉妥善后，用肥皂液浸濕背部毛發(fā)，用無菌刀片剔除；
4)取恒溫燙傷儀，加熱至90度，觀察溫度恒溫效果，待用；
5)取2.25cm2恒溫燙頭，用500g重力施壓作用于大鼠背部皮膚造成燙傷，燙傷時間分別為 3s、5s、10s、15s、20s、30s、45s、60s、90s、120s。
[0063]3.3成年豬皮膚汽油燒傷模型光譜數(shù)據(jù)采集1)取近紅外光纖光譜檢測儀，打開光源，調試檢測軟件參數(shù)，用標準白板內(nèi)標，去除噪音及背景曲線，調試儀器至工作狀態(tài)，運行十分鐘，觀察工作電源穩(wěn)定程度及光源強度狀態(tài)，待用;
2)取標準白板，調整光纖探頭對樣本標準白板檢測的最佳距離，固定光纖探頭位置，用近紅外光纖光譜檢測儀并顯示標準白板曲線，核實后待機；
3)取燒傷后麻醉成年豬，調整光纖探頭位置，設定距離為1cm，分別檢測汽油燒傷創(chuàng)面和二度燙傷及正常皮膚，觀察并記錄檢測結果；
3.4巴馬香豬背部皮膚燙傷模型病理樣本采集及固定
1)用無菌手術器械剪取成年豬背部燒傷創(chuàng)面皮膚條約0.5X2.0cm2 ；
2)保證離體皮膚標本修剪平整，放入10%甲醛溶液固定；
3)取已固定好皮膚標本，常規(guī)石蠟包埋待用；
4)將標本在切片機上制成6-8微米厚度切片待用；
5)常規(guī)脫蠟至水，HE染色；顯微鏡下觀察、拍照并記錄。
[0064]光譜檢測結果如圖13和圖14。
[0065](四)分析各類燒傷模型的光譜生物數(shù)據(jù)，總結歸納正常皮膚與燒傷后壞死皮膚光譜檢測的特征波段，特征幅值及其內(nèi)在規(guī)律
1、人離體皮膚燙傷后光譜檢測結果分析
O皮膚燙傷后反射光譜曲線在1100n`nT2500nm波段出現(xiàn)變化，隨燙傷時間延長，在特定波峰處的特征幅值呈遞減趨勢；
2)特定波峰所在的位置為1100nnT2500nm。
[0066]2、大鼠皮膚燙傷后光譜檢測結果分析
O皮膚燙傷后反射光譜曲線在1100-2100nm波段出現(xiàn)變化，隨燙傷時間延長，在特定波峰處的特征幅值呈遞減趨勢；
2)特定波峰所在的位置為1100nnT2500nm。
[0067]3、巴馬香豬皮膚燙傷后光譜檢測結果分析
O皮膚燙傷后反射光譜曲線在1100-2100nm波段出現(xiàn)變化，隨燙傷時間延長，在特定波峰處的特征幅值呈遞減趨勢；
2)特定波峰所在的位置為1100nnT2500nm。
[0068]4、各類燙傷模型檢測結果匯總及科學規(guī)律總結
I)各種燙傷模型能夠規(guī)范建立，并達到光譜檢測的實際要求，確保實驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。同時，檢測不同的燙傷模型得到的實驗結果也初步顯示出一定的共性。
[0069]2)皮膚燙傷后近紅外反射光譜生物特征波段為:1100nnT2500nm。
[0070]3)其信息變化特征為:隨燙傷時間延長，燙傷深度增加，特征波段的特征幅值呈遞減趨勢。
[0071](五)分析各類燒傷模型的病理結果，與光譜生物數(shù)據(jù)對照分析，總結歸納正常皮膚與燒傷后壞死皮膚光譜檢測結果與皮膚病損深度病理結果的內(nèi)在規(guī)律。
[0072]1、對取自相同部位、相同深度、相同一般情況的各類燒傷模型正常皮膚及燒傷后病損皮膚光譜數(shù)據(jù)進行樣本統(tǒng)計分析，確立特征波段及特異峰型穩(wěn)定性，確保檢測結果的高度一致及數(shù)據(jù)可靠性；2、對以上創(chuàng)面采集部位病理切除標本進行常規(guī)固定，HE染色，200倍高倍鏡下病理拍照，標準標尺測量皮膚損傷深度；
3、將創(chuàng)面光譜檢測結果與金標準HE病理切片深度測量檢測數(shù)據(jù)結果進行匹配，檢測匹配結果穩(wěn)定性，排除系統(tǒng)及人為誤差，即得到燒傷創(chuàng)面光譜曲線數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)金標準之間的匹配結果；
4、光譜檢測儀對燒傷新鮮燒傷創(chuàng)面實時檢測數(shù)據(jù)結果即代表了相應的金標準檢測出的皮膚燒傷深度，完成了相關比對匹配。
[0073](六)對臨床燒傷病例的光譜生物數(shù)據(jù)進行檢測驗證，總結歸納正常皮膚與燒傷后壞死皮膚光譜檢測結果與皮膚病理結果的內(nèi)在規(guī)律。建立臨床燒傷患者不同深度病損皮膚的光譜生物數(shù)據(jù)庫。病例采集流程皆符合西南醫(yī)院倫理委員會相關要求并征得患者本人同意。
[0074]I)、建立了創(chuàng)面檢測標準和數(shù)據(jù)采集策略
①采集部位:盡量多采集患者正常皮膚及不同程度病損的超光譜數(shù)據(jù)；
②采集條件:安靜狀態(tài)，臥位，采集時目標部位無強烈晃動及抖動；光纖探頭垂直于目標區(qū)域進行采集，定標Icm ；
③入選標準:以青中年患者的四肢暴露創(chuàng)面優(yōu)先，廣泛采集各類臨床病例；
④記錄方法:患者基本信息+實時照片資料+光譜采集數(shù)據(jù)+病理診斷信息；
⑤病理標本采集策略:可通過手術切除獲得采集部位標本，常規(guī)HE染色，200倍高倍鏡下病理拍照，標準標尺測量皮膚損傷深度。
[0075]2)總結歸納正常皮膚與燒傷后壞死皮膚光譜檢測結果
①有效反映燒傷后病理變化光譜生物檢測波段:1100nnT2500nm；
②皮膚燙傷后反射光譜曲線在1100nnT2500nm波段出現(xiàn)變化，隨燙傷時間延長，在特定波峰處的特征幅值呈遞減趨勢；特定波峰所在的位置為1100nnT2500nm處；
③正常皮膚與燒傷后壞死皮膚光譜檢測結果顯示的生物學規(guī)律與先前對離體皮膚燒傷模型、大鼠及巴馬香豬燒傷模型光譜生物學檢測中所總結歸納的光譜生物規(guī)律在特征生物波段的特征幅值上隨燒傷深度的增加，其體現(xiàn)出的光譜生物學規(guī)律大致相同；
④近紅外光譜檢測(1100-2500nm)可應用于對臨床燒傷患者皮膚病損深度的有效檢測。
[0076]3)研究分析了創(chuàng)面光譜數(shù)據(jù)與金標準匹配比對方法
①對相同部位、相同深度、相同一般情況的典型燒傷病例超光譜采集數(shù)據(jù)結果進行大樣本統(tǒng)計學分析，確立特征波段及特異峰型穩(wěn)定性，確保檢測結果的高度一致及數(shù)據(jù)可靠性；
②對以上病例創(chuàng)面采集部位術中病理切除標本進行常規(guī)固定，HE染色，200倍高倍鏡下病理拍照，標準標尺測量皮膚損傷深度；
③將創(chuàng)面檢測結果與金標準HE病理切片深度測量檢測數(shù)據(jù)結果進行匹配，檢測匹配結果穩(wěn)定性，排除系統(tǒng)及人為誤差，即得到燒傷創(chuàng)面光譜曲線數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)金標準之間的匹配結果；
④建立臨床正常皮膚、燒傷病損光譜檢測數(shù)據(jù)庫；不斷擴大數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)樣本量，保證檢測結果穩(wěn)定可靠；開發(fā)相應的數(shù)據(jù)分析軟件，將光譜儀對燒傷創(chuàng)面的光譜實時監(jiān)測結果進行數(shù)據(jù)庫比對匹配，減小誤差；
⑤光譜檢測儀對燒傷新鮮燒傷創(chuàng)面實時檢測數(shù)據(jù)結果即代表了相應的金標準檢測出的皮膚燒傷深度，完成了相關比對匹配。
[0077]4)燒傷患者光譜生物數(shù)據(jù)庫建立及相關生物數(shù)據(jù)展示，如圖15。
①病例數(shù)據(jù)結果包括四部分資料:
a.基本情況資料:顯示患者一般資料及病史、損傷部位詳細記錄等；該患者為金屬鋁溶液全身多處燒傷，骶部皮膚局部呈典型的炭黑色改變，質地堅硬，觸之無明顯疼痛；
b.光譜檢測數(shù)據(jù):按損傷部位與檢測數(shù)據(jù)匹配記錄并編號；
c.臨床病例標準照片記錄:如實反映入院時病損情況；
d.病理結果記錄:病損部位術中切除送病理檢驗檢測結果。
[0078]②光譜檢測儀在近紅波段(1100nnT2500nm)可實現(xiàn)對不同深度的皮膚燒傷患者創(chuàng)面進行實時檢測分析；該患者長波段(1100nnT2500nm)創(chuàng)面檢測結果與正常皮膚相比，皮膚燙傷后反射光譜曲線在1100nnT2500nm波段出現(xiàn)變化，隨燙傷時間延長，在特定波峰處的特征幅值呈遞減趨勢；隨深度加深燒傷中心區(qū)(粉紅色角標示意部位)曲線漸趨平直，與橫軸基線夾角變小；
③臨床燒傷病例應用光譜儀在體、實時、無創(chuàng)檢測結果與各種燙傷模型在可見光光譜檢測不同深度創(chuàng)面所得 到的特異性曲線形態(tài)、波段及規(guī)律方面趨勢相同。
[0079]④結合切除部位病損皮膚金標準檢測結果，與光譜檢測結果再次匹配比對，該患者最終確認該患者腰骶部皮膚燒傷區(qū)診斷結果為:創(chuàng)面中央?yún)^(qū)(粉紅色標識)為三度燒傷。
[0080]5)建立正常皮膚光譜生物檢測數(shù)據(jù)庫。設立創(chuàng)面檢測標準和數(shù)據(jù)采集策略。病例采集流程皆符合西南醫(yī)院倫理委員會相關要求并征得患者本人同意。
[0081]①采集部位:借鑒皮膚美容定標原則，光譜采集定標點分別為額頭、面部、上臂、頸外側、及鎖骨內(nèi)下側；每個部位采集重復3次；
②采集條件:安靜狀態(tài)，臥位，采集時目標部位無強烈晃動及抖動；光纖探頭垂直于目標區(qū)域進行采集，定標Icm ；
③環(huán)境條件:室內(nèi)溫度18-22度，濕度55%-60%，統(tǒng)一病房內(nèi)外采集光譜信息時工作環(huán)境光線條件；
④入選標準:避免毛發(fā)，無外傷、紅斑、過敏、凹陷、瘢痕、痤瘡、痣、癬、疣及蚊蟲叮咬等異常；采集過程無無汗?jié)⒓坝蜐?，有則清之；
⑤記錄方法:患者基本信息+實時照片資料+光譜采集數(shù)據(jù)?；拘畔?ID號，姓名、性別、年齡、體重及聯(lián)系方式等。
[0082](七)光譜成像儀臨床檢測功能測定
近紅外光譜成像儀現(xiàn)場采集燙傷患者手部創(chuàng)面光譜圖像，并通過三維彩圖顯示，能準確區(qū)分正常組織、燙傷區(qū)域，顯示了光譜成像儀良好的燒傷部位傷情定位功能、燒傷部位傷情面積判定功能及精確的光譜生物學診斷功能，已達到了 “圖譜合一”的診斷效果。
【權利要求】
1.一種用于燒傷皮膚壞死深度和面積診斷的近紅外光譜成像系統(tǒng)，包括光譜成像儀和計算機控制系統(tǒng)；其特征在于: 所述光譜成像儀，包括光源、光學鏡頭、濾波器、驅動控制器和CCD像機；所述濾波器采用寬譜液晶可調濾光片(LCTF)或聲光可調濾光片(AOTF)，它們獲取1100-2500nm波段的光譜信號； 所述計算機控制系統(tǒng)內(nèi)置有通用模塊、數(shù)據(jù)模塊、光譜校正模塊、光譜匹配模塊、燒傷創(chuàng)面三維合成模塊； 所述系統(tǒng)通過所述光譜成像儀獲取目標區(qū)域燒傷皮膚壞死組織的光譜圖像數(shù)據(jù)，輸入所述計算機控制系統(tǒng)，經(jīng)圖像分析處理，即首先通過光譜校正模塊進行光譜校正，然后通過光譜匹配模塊將校正后的光譜圖像中每個像元對應的光譜反射率曲線與數(shù)據(jù)模塊中燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫的標準光譜反射率曲線進行光譜匹配識別，得到目標區(qū)域的燒傷深度和燒傷面積，最后由燒傷創(chuàng)面三維合成模塊合成目標區(qū)域的三維圖像，并通過顯示器顯示； 所述燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫中的標準光譜反射率曲線與病理數(shù)據(jù)庫中的皮膚燒傷深度具有一對一的匹配關系，其是利用燒傷壞死皮膚在1100-2500nm波段的光譜反射率曲線特征，來定量燒傷皮膚中的壞死信號，并將壞死信號與病理數(shù)據(jù)進行關聯(lián)，使燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫中的標準光譜反射率曲線與病理數(shù)據(jù)庫中的皮膚燒傷深度的匹配，燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫中的每一條標準光譜曲線均代表一種燒傷深度。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于燒傷皮膚壞死深度和面積診斷的近紅外光譜成像系統(tǒng)，其特征在于:所述燒傷壞死皮膚在1100-2500nm波段的光譜反射率曲線特征包括光譜反射率曲線的形狀、曲線的平均幅值、以及曲線中波峰與波谷幅值的差值。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的近紅`外光譜成像系統(tǒng)，其特征在于:所述寬譜液晶可調濾光片(LCTF)包括液晶可調濾光片為多級級聯(lián)結構，包括:一組電控液晶波片、一組固定位相延遲片和一組偏振片；所述偏振片與電控液晶波片和固定位相延遲片依次相互平行排列、間隔疊放，形成多級，但第一級中可以設置或不設置固定位相延遲片；其中所有偏振片的透射偏振光方向相互平行，所有電控液晶波片的快軸方向與所有偏振片透射偏振光方向成45°角；每級結構中電控液晶波片由過壓驅動控制器控制，加載不同幅值的交流過壓驅動信號。
4.根據(jù)權利要求3所述的近紅外光譜成像系統(tǒng)，其特征在于:所述電控液晶波片包括中間的向列相液晶層和兩側依次對稱設置的取向膜、透明導電膜和透明基板，所述向列相液晶層兩側的取向膜摩擦方向反向平行，液晶層中的液晶分子沿面排列，所述液晶層的厚度通過在其中設置透明隔墊進行控制。
5.根據(jù)權利要求4所述的近紅外光譜成像系統(tǒng)，其特征在于:所述LCTF驅動控制器采用過壓驅動，對電控液晶波片加載不同幅值的交流過壓驅動信號，采用過壓驅動器驅動:如果液晶波片需要的驅動電壓為V2，驅動時首先施加一個持續(xù)時間t很短的窄脈沖，t的取值范圍在0-50ms之間，t不等于O，其電壓幅度V3>V2.，V3的幅值范圍在10-50V之間，然后再施加V2的驅動電壓，電壓幅值在O-1OV之間但不等于0，交變頻率在0.5-5KHz。
6.根據(jù)權利要求4所述的近紅外光譜成像系統(tǒng)，其特征在于:所述寬譜液晶可調濾光片(LCTF)的工作波段覆蓋900nnT2500nm ;光譜分辨率:5_20nm ;光學透過率:5_30% ;視場角:1-10° ο
7.根據(jù)權利要求1-6之任一項所述的近紅外光譜成像系統(tǒng)，其特征在于:所述光源提供同軸或者接近同軸的照明光源，照明光源的光譜范圍覆蓋900-2500nm，對目標區(qū)域進行均勻或者接近均勻的照明。
8.根據(jù)權利要求1-6之任一項所述的所述的近紅外光譜成像系統(tǒng)，其特征在于所述計算機控制系統(tǒng)中: 通用模塊，控制光源的接通和關斷、光譜成像儀中各部分硬件的電源功率配給、以及本系統(tǒng)的各種端口和接口； 數(shù)據(jù)模塊，包括燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫及燒傷皮膚壞死病理數(shù)據(jù)庫；所述燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫的光譜反射率曲線波段在1100-2500nm，其光譜反射率曲線數(shù)據(jù)的來源包括光纖光譜儀和醫(yī)用光譜成像儀；所述的燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫的光譜反射率曲線與燒傷皮膚壞死病理數(shù)據(jù)庫中的皮膚燒傷深度具有一對一的匹配，即可用光譜反射率曲線代表燒傷深度； 光譜校正模塊，用于將目標區(qū)域原始光譜圖像中每一個光譜圖像像元對應的光譜曲線幅值除以相同條件下白板的光譜圖像像元對應的光譜曲線幅值，以去除背景光及光源不均一性導致的影響，得到目標區(qū)域的光譜反射率曲線； 光譜匹配模塊，用于校正后目標區(qū)域的光譜圖像中每個像元的光譜反射率曲線與燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫的標準光譜反射率曲線進行對比分析，即用己知燒傷深度的皮膚反射光譜曲線去匹配識別目標區(qū)域的光譜反射率曲線，通過計算目標區(qū)域像元的光譜反射率曲線與各種不同燒傷深度皮膚的標準光譜反射率之間的相似度值，取相似度值最高所對應的燒傷深度作為將目標區(qū)域像元的燒傷深度，然后對目標區(qū)域每個像元進行匹配識別，得到目標區(qū)域的燒傷深度及燒傷面積； 燒傷創(chuàng)面三維合成模塊，用于將目`標區(qū)域燒傷深度和燒傷面積的數(shù)據(jù)進行三維合成與顯不O
9.利用權利要求1-8所述的近紅外光譜成像系統(tǒng)獲得目標區(qū)域燒傷皮膚燒傷深度和燒傷面積成像信息的方法，步驟如下:
(I)光源照明所述燒傷皮膚上的目標區(qū)域； (2)用LCTF或AOTF以及CCD攝像機收集所述目標區(qū)域在1100_2500nm波段的光譜圖像，獲取燒傷皮膚壞死組織的光譜數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)，輸入計算機控制系統(tǒng)； (3)計算機控制系統(tǒng)經(jīng)圖像分析處理，即首先進行光譜校正，然后將校正后的光譜圖像中每個像元對應的光譜反射率曲線與燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫中的標準光譜反射率曲線進行光譜匹配識別，得到目標區(qū)域的燒傷深度和燒傷面積，最后合成目標區(qū)域的三維圖像，并通過顯示器顯示； 所述燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫中的標準光譜反射率曲線與病理數(shù)據(jù)庫中的皮膚燒傷深度具有一對一的匹配關系，其是利用燒傷壞死皮膚在1100-2500nm波段的光譜反射率曲線特征，來定量燒傷皮膚中的壞死信號，并將壞死信號與病理數(shù)據(jù)進行關聯(lián)，使燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫中的標準光譜反射率曲線與病理數(shù)據(jù)庫中的皮膚燒傷深度的匹配，燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫中的每一條標準光譜曲線均代表一種燒傷深度。
10.根據(jù)權利要求9所述的獲得目標區(qū)域燒傷皮膚燒傷深度和燒傷面積成像信息的方法，其特征在于:所述燒傷壞死皮膚在1100-2500nm波段的光譜反射率曲線特征包括光譜反射率曲線的形狀、曲線的平均幅值、以及曲線中波峰與波谷幅值的差值。
11.根據(jù)權利要求10所述的利用近紅外光譜成像系統(tǒng)獲得目標區(qū)域燒傷皮膚燒傷深度和燒傷面積成像信息的方法，其特征在于:所述步驟(3)的具體過程如下: (3.1)光譜校正:將目標區(qū)域原始光譜圖像中每一個光譜圖像像元對應的光譜曲線幅值除以相同條件下白板的光譜圖像像元對應的光譜曲線幅值，以去除背景光及光源不均一性導致的影響，得到目標區(qū)域的光譜反射率曲線； (3.2)光譜匹配識別:將校正后目標區(qū)域的光譜圖像中每個像元的光譜反射率曲線與燒傷壞死皮膚光譜數(shù)據(jù)庫的標準光譜反射率曲線進行對比分析，即用己知燒傷深度的皮膚反射光譜曲線去匹配識別目標區(qū)域的光譜反射率曲線，通過計算目標區(qū)域像元的光譜反射率曲線與各種不同燒傷深度皮膚的標準光譜反射率之間的相似度值，取相似度值最高所對應的燒傷深度作為將目標區(qū)域像元的燒傷深度，然后對目標區(qū)域每個像元進行匹配識別，得到目標區(qū)域的燒傷深度及燒傷面積； (3.3)光譜圖像合成與顯示:將目標區(qū)域燒傷深度和燒傷面積的數(shù)據(jù)進行三維合成與顯不O·
【文檔編號】A61B5/00GK103815875SQ201410041799
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年1月28日 優(yōu)先權日:2013年10月28日
【發(fā)明者】吳軍, 劉倉理, 楊俊杰, 駱永全, 黃立賢, 羅高興, 陳志強, 趙劍恒, 張大勇, 沈志學, 李劍峰, 賀偉峰 申請人:重慶西南醫(yī)院